16.2: כרייה, עיבוד וייצור חשמל
- Page ID
- 209331
יש לחלץ או לכרות דלקים מאובנים לפני השימוש, והשיטה הספציפית תלויה בסוג הדלק המאובנים. פחם וגז טבעי ומשמש בעיקר לייצור חשמל, ואילו נפט מזוקק לייצור דלק לכלי רכב, מטוסים וחימום כמו גם למוצרים אחרים.
פחם
כרייה
פחם מופק על ידי שתי שיטות עיקריות, אשר יש גרסאות רבות: כריית שטח או כרייה תת קרקעית. כריית פני השטח משתמשת במכונות גדולות להסרת האדמה ושכבות הסלע המכונות עומס יתר כדי לחשוף תפרי פחם הקרובים לפני כדור הארץ (איור\(\PageIndex{a}\)). כריית רצועות היא סוג של כריית שטח שבה עומס יתר מוסר ברצף מכל מתיחה (רצועה) של אדמה. לאחר הסרת עומס יתר מהרצועה הראשונה, מוסרים פחם. עומס יתר מהרצועה השנייה מופקד אז לרצועה הראשונה, ופחם מוסר מהרצועה השנייה. עומס יתר מהרצועה השלישית מונח אז ברצועה הראשונה וכן הלאה. הסרת פסגת ההר היא סוג הרסני יותר של כריית שטח שבה כל העומס מוסר באמצעות חומרי נפץ, וחושף את כל תפר הפחם בבת אחת (איור\(\PageIndex{b}\)). המסה הגדולה של עומס יתר (פסגת ההר) מושלכת לעמק סמוך, והפחם מוסר.



כרייה תת קרקעית (כרייה עמוקה) מעסיקה מנהרות תת קרקעיות כדי לגשת למרבצים עמוקים יותר (איור\(\PageIndex{c}\)). כמה מוקשים תת קרקעיים הם בעומק של אלפי מטרים, ומשתרעים לאורך קילומטרים. כורים נוסעים במעליות במורד פירי מוקשים עמוקים ונוסעים ברכבות קטנות במנהרות ארוכות כדי להגיע לפחם. הכורים משתמשים במכונות גדולות החופרות את הפחם. במכרות סחף נחפרת מנהרה אופקית לצד ההר. במכרות מדרון המנהרה הזו אלכסונית. במכרות פיר משתמשים במעליות להעברת פחם דרך מנהרות אנכיות.

עיבוד פחם
לאחר הכרייה, פחם עשוי להגיע למפעל הכנה הממוקם בסמוך לאתר הכרייה, שם הוא מנוקה ומעובד כדי להסיר זיהומים כגון סלעים ולכלוך, אפר, גופרית וחומרים לא רצויים אחרים. תהליך זה מגדיל את כמות האנרגיה שניתן להשיג מיחידת פחם, המכונה ערך החימום שלה.
הובלת פחם
לבסוף, פחם ממוקש ומעובד חייב להיות מועבר. תחבורה יכולה להיות יקרה יותר מאשר כריית הפחם. כמעט 70% מהפחם המועבר בארצות הברית מועבר, לפחות בחלק מהנסיעה שלו, ברכבת (איור\(\PageIndex{e}\)). פחם יכול להיות מועבר גם על ידי דוברה, ספינה או משאית. פחם יכול גם להיות מרוסק, מעורבב עם מים, ונשלח דרך צינור slurry. לפעמים, תחנות כוח חשמליות פחמיות נבנות ליד מכרות פחם כדי להוזיל את עלויות ההובלה.

הפקת חשמל מפחם
פעם בתחנת הכוח, תחילה מרסקים פחם לאבקה דקה ואז מערבבים אותו עם אוויר חם ומפוצצים לתנור (איור\(\PageIndex{f}\)). זה מאפשר בעירה מלאה ביותר (שריפה) ושחרור חום מרבי. מים מטוהרים, הנשאבים דרך צינורות בתוך דוד, הופכים לאדים על ידי החום משריפת הפחם. הלחץ הגבוה של הקיטור הדוחף כנגד סדרה של להבי טורבינה ענקיים הופך את פיר הטורבינה. פיר הטורבינה מחובר לפיר הגנרטור, שם מגנטים מסתובבים בתוך סלילי תיל לייצור חשמל. לאחר ביצוע עבודתו בטורבינה, הקיטור נמשך לתוך מעבה, תא גדול במרתף של תחנת הכוח. בשלב חשוב זה, מיליוני גלונים של מים קרים ממקור סמוך (כגון נהר או אגם) נשאבים דרך רשת צינורות העוברים דרך הקבל. המים הקרירים בצינורות ממירים את האדים בחזרה למים שניתן להשתמש בהם שוב ושוב בצמח. מי הקירור מוחזרים למקורם ללא כל זיהום למעט בטמפרטורה גבוהה יותר מאשר כאשר הם מופקים לראשונה מהנהר או מהאגם.


סרטון זה מראה כיצד ניתן להשתמש באנרגיית חום לייצור חשמל.
נפט וגז טבעי
הפקת נפט וגז טבעי קונבנציונלי
נפט קונבנציונאלי וגז טבעי כלולים תחת מלכודת (סלע כובע). מכיוון שגז טבעי מורכב ממולקולות קלות יותר שנמצאות בצורה גזית בטמפרטורות מתונות, הוא נמצא על גבי השמן, שעשוי לצוף על מי תהום. כדי לגשת לנפט וגז טבעי קונבנציונאלי, המלכודת מנוקבת תחילה. בתחילה, הם נמצאים תחת לחץ גבוה מספיק, וזה מניע אותם מתוך הבאר (התאוששות ראשונית). לאחר מכן מוזרקים מים (או גז) בכדי לכפות יותר דלקים מאובנים החוצה (התאוששות משנית). לבסוף, התאוששות שמן משופרת (התאוששות שלישוני) עשויה לשמש להפקת שמן נוסף על ידי מריחת חום (הזרקת קיטור) או הזרקת פחמן דו חמצני, גזים אחרים או מולקולות גדולות יותר. לדוגמה, פחמן דו חמצני גורם לשמן להתדלדל ולהתרחב, מה שמקל על הסרתו מהסלעים. שים לב שהתאוששות משנית פשוט מגבירה את הלחץ בתוך המאגר ואילו התאוששות שלישונית משנה את תכונות השמן, מה שמקל על החילוץ (איור\(\PageIndex{g}\)). כל שלב של התאוששות יקר יותר ויותר, והחילוץ מבאר נמשך כל עוד הוא נשאר רווחי.

נפט מתקבל בעיקר על ידי קידוח ביבשה (ביבשה) או באוקיאנוס (מהחוף). קידוח ימי מוקדם הוגבל בדרך כלל לאזורים שבהם המים היו בעומק של פחות מ -300 רגל. אסדות קידוח נפט וגז טבעי פועלות כעת במים בעומק של כשני קילומטרים. פלטפורמות צפות משמשות לקידוח במים עמוקים יותר (איור\(\PageIndex{h}\)). כלי הנעה עצמית אלה מחוברים לקרקעית האוקיינוס באמצעות כבלים ועוגנים גדולים. בארות נקדחות מפלטפורמות אלה המשמשות גם להפחתת ציוד ייצור לקרקעית האוקיינוס. כמה פלטפורמות קידוח עומדות על רגליים דמויי כלונסאות המוטמעות בקרקעית האוקיינוס. פלטפורמות אלה מכילות את כל ציוד הקידוח הנדרש וכן שטחי דיור ואחסון עבור צוותי העבודה. ייצור בחו"ל יקר בהרבה מייצור יבשתי.

הפקת נפט וגז טבעי לא שגרתיים
נפט הדוק וגז טבעי הכלואים בפצלים כמו גם גז טבעי בחולות הדוקים מופקים באמצעות שבר הידראולי, המכונה באופן לא רשמי "fracking". תהליך זה משתמש בחומרי נפץ כדי ליצור שברים חדשים בסלעים בעלי חדירות נמוכה אלה, כמו גם להגדיל את הגודל, ההיקף והקישוריות של שברים קיימים ולאחר מכן מפעיל נוזל בלחץ גבוה. ראשית, מקדחה מחלחלת לשכבות הסלע ואז ממשיכה אופקית. חומרי נפץ ואז מפרקים סלעים ומשחררים נפט וגז טבעי. לבסוף, מים, חול וכימיקלים מוזרקים, אשר שוטפים נפט וגז טבעי (איור\(\PageIndex{i}\)).


כאמור, ביטומן בחולות זפת ניתן לחלץ על ידי הזרקת קיטור, או שהם עשויים להיות ממוקש לעיבוד מאוחר יותר. חולות זפת יכולים לכרות באמצעות כריית רצועות או כריית בור פתוח, סוג של כריית שטח הכוללת יצירת חור עמוק יותר ויותר. קירות הבור תלולים ככל שניתן לנהל בבטחה. קיר תלול פירושו שיש פחות עומס פסולת להסרה ומהווה איזון הנדסי בין כרייה יעילה לבזבוז המוני. פצלי שמן מופקים על ידי כריית רצועות, יצירת מוקשים תת קרקעיים או כריית בור פתוח. ניתן לשרוף פצלי שמן ישירות כמו פחם או לאפות בנוכחות מימן להפקת נפט נוזלי (איור\(\PageIndex{j}\)).

זיקוק נפט גולמי
התוצאה של התאוששות נפט היא נפט גולמי (נפט), המכיל סוגים רבים של פחמימנים וכן כמה חומרים לא רצויים כמו גופרית, חנקן, חמצן, מתכות מומסות ומים כולם מעורבבים יחד. לפיכך, נפט גולמי לא מעובד אינו שימושי בדרך כלל ביישומים תעשייתיים ויש להפריד אותו תחילה למוצרים שימושיים שונים (פטרוכימיה) בבית זיקוק. בנזין (בנזין), דיזל, זפת ואספלט הם דוגמאות לפטרוכימיה.
זיקוק חלקי הוא תהליך המפתח המשמש בבתי זיקוק לנפט להפרדת מרכיבי הנפט הגולמי. במהלך זיקוק שברירי מחממים נפט גולמי ואז נותנים לו להתקרר. התרכובות הכבדות ביותר שוקעות לתחתית כשאריות. רכיבי נפט גולמי מאודה מתעבים ברמות שונות בעמודת הזיקוק בהתאם לנקודות הרתיחה שלהם, וזה בעיקר בגלל הגודל המולקולרי שלהם. התרכובות הכבדות ביותר (מתעבות בסמוך לתחתית העמוד, שם הטמפרטורה עדיין גבוהה. תרכובות קלות יותר מתעבות בטמפרטורות קרירות יותר גבוהות בעמודה. חלק מהתרכובות נשארות כגזים בראש העמודה (איור\(\PageIndex{k}\)).

הסרטון שלהלן מסביר את תהליך הזיקוק השברירי. עמודת הזיקוק המסומנת בשעה 3:00 מציגה נפט גולמי מחומם (400 מעלות צלזיוס) המפריד לפטרוכימיה שונים. מלמטה למעלה הם ביטומן (> 350 מעלות צלזיוס), דיזל (250-350 מעלות צלזיוס), נפט (160-250 מעלות צלזיוס), נפטה (70-160 מעלות צלזיוס), בנזין (20-70 מעלות צלזיוס) וגז (< 20 מעלות צלזיוס).
המרה היא העיבוד הכימי שבו חלק מהשברים (המופקים מזיקוק שברירי) הופכים למוצרים אחרים. לדוגמה, בית זיקוק יכול להפוך סולר לתוך בנזין בהתאם לביקוש בנזין. המרה יכולה לכלול שבירת שרשראות פחמימנים גדולות יותר לקטנות יותר (פיצוח), שילוב שרשראות קטנות יותר לגדולות יותר (איחוד), או סידור מחדש של המולקולות למוצרים רצויים שנוצרו (שינוי).
הטיפול נעשה בשברים בכדי להסיר זיהומים כמו גופרית, חנקן ומים בין היתר. בתי הזיקוק משלבים גם את השברים השונים (מעובדים ולא מעובדים) לתערובות לייצור מוצרים רצויים. לדוגמא, תערובות שונות של שרשראות פחמימנים יכולות ליצור בנזין עם דירוגי אוקטן שונים, עם ובלי תוספים, שמני סיכה במשקלים ובדרגות שונות (WD-40, 10W-40, 5W-30 וכו '), שמן חימום ורבים אחרים. המוצרים מאוחסנים באתר עד שניתן יהיה להעבירם לשווקים שונים כגון תחנות דלק, שדות תעופה ומפעלים כימיים.
חבית נפט גולמי של 42 ליטר ארה"ב מניבה כ -45 ליטרים של מוצרי נפט בגלל עלייה בעיבוד בתי הזיקוק (איור\(\PageIndex{l}\)). עלייה זו בנפח דומה למה שקורה לפופקורן כשהוא קופץ. בנזין מהווה את החלק הגדול ביותר מכל מוצרי הנפט המתקבלים. מוצרים אחרים כוללים סולר ושמן חימום, דלק סילוני, חומרי הזנה פטרוכימיים (לייצור פלסטיק, גומי סינטטי או כימיקלים אחרים), שעווה, שמני סיכה ואספלט.

הובלת נפט וגז טבעי
לאחר בית הזיקוק, הדלק ודלקים אחרים שנוצרו מוכנים להפצה לשימוש. מערכת צינורות פועלת ברחבי ארצות הברית להובלת נפט ודלקים ממקום למקום. ישנם צינורות המובילים נפט גולמי מבאר הנפט לבית הזיקוק. בבית הזיקוק ישנם צינורות נוספים המעבירים את המוצר המוגמר למסופי אחסון שונים, שם ניתן לטעון אותו למשאיות למשלוח, למשל לתחנת דלק.
לאחר הפקת גז טבעי מתצורות סלע תת קרקעיות, הוא נשלח על ידי צינורות למתקני אחסון ואז למשתמש הקצה. לארצות הברית יש רשת צינורות עצומה המעבירה גז כמעט לכל מקום ב -48 המדינות התחתונות. ישנן יותר מ -210 מערכות צינורות גז טבעי, המשתמשות ביותר מ -300,000 קילומטרים של צינורות הולכה בין -מדינתיים ובין -מדינתיים (איור\(\PageIndex{m}\)). תחנות קומפרסור השומרות על לחץ על הגז הטבעי כדי לשמור על תנועתו במערכת. ישנם יותר מ -400 מתקני אחסון גז טבעי תת קרקעיים שיכולים להחזיק את הגז עד שיידרש בחזרה במערכת למסירה.

הפקת חשמל מנפט או גז טבעי
גז טבעי נשרף לייצור חשמל בעקבות אותו תהליך כללי המשמש בתחנת כוח פחם (איור\(\PageIndex{n}\)). שמן משמש מדי פעם גם לייצור חשמל.

ייחוסים
שונה על ידי מליסה הא מהמקורות הבאים:
- מקורות אנרגיה לא מתחדשים מביולוגיה סביבתית מאת מתיו ר 'פישר (מורשה תחת CC-BY)
- דלקים מאובנים וכרייה מתוך מבוא לגיאולוגיה מאת כריס ג'ונסון ואח '. (מורשה תחת CC-BY-NC-SA)
- פרק 4: אנרגיה לא מתחדשת ממבוא למדעי הסביבה: מהדורה שנייה (2018) מדעי הביולוגיה ספרי לימוד פתוחים מאת זנדר, קרלין; מנוילוב, קאלינה; מוטיטי, סמואל; מוטיטי, כריסטין; VanDevoort, אליסון; ובנט, דונה (מורשה תחת CC-BY-NC-SA).
- מדריך לחקר אנרגיה מאובנת: גז טבעי 2014. משרד האנרגיה האמריקאי. גישה 01-12-2021.
- מדריך לחקר אנרגיה מאובנת: נפט 2013. משרד האנרגיה האמריקאי. גישה 01-12-2021.